专利名称：用于监控太阳能量源的最大功率点的电路和方法以及装有所述电路的太阳能发电机的制作方法
技术领域：
本发明的主要应用领域为针对电子装置设计的产业，且更具体来说，光伏太阳能电 力系统的部门。
本发明的一个目标为准许能量源以持久方式在其最大功率点(PMP)处工作(只要 用户要求此条件)，且不会引起其所供应电压的任何间断。
同样，本发明的目标为提供一种具有高性能的用于太阳能发电机的功率控制电路， 所述功率控制电路连续地快速确定所述最大功率点(PMP)。
背景技术：
太阳能发电机(例如，包含光伏面板的太阳能发电机)目前广泛用于太空电力系统 (空间站、人造卫星、探测器和其它航天器)和陆地电力系统(具有可更新能源系统的 建筑物等等)中，此归因于其独立于任何配电网，具有以自主方式将能量供应给固定和 移动设备的有利能力，
在谈及太阳能时，可在也应用太阳能辐射的其它种类的系统中区别除了用于为光伏 效应而发电的光伏面板外借助于太阳能收集器使用太阳辐射通过温室效应产生热水以 供家用或商用的热太阳能，其它种类的系统为热电系统，釆用来自由太阳加热的流体 的常规热力循环而产生电力；被动式系统，其使用太阳的热量而无需中间机构；和混合 式系统，其将太阳能与生物燃料或化石燃料的燃烧进行组合。
这些能量源的特征为特性曲线到达某单个电压值的最大值的功率，所述最大值在此 项技术中被称作最大功率点(PMP)。在电力系统的设计者为减少质量和成本的明显原 因而试图使太阳能电池面板在PMP处工作时，问题出现了。迄今所知的此类型的大多 数电力系统现在通过在负责管理此能量源或功率调节单元的单元的控制回路中实施跟 踪算法(被称作MPPT (最大功率点跟踪))来实现那个目标。
MPPT功率调整方法准许光伏面板、模块或集热器供应用电子学方法改变其操作点 的所有可用功率。执行MPPT的益处比常规功率控制器要明显，在常规功率控制器中，面板直接连接到用户充电网络(例如，对电池组充电)，迫使其接着在电池组自身的电 压电平下操作，所述电压电平通常不对应于光伏面板的给出最大功率的理想电压。另外， MPPT跟踪可与典型机械控制结合使用，其中面板自动地移动以优化其朝向太阳的瞄准。 但为了使太阳能面板以持久方式在其PMP处工作(如果此条件被用户接受)，现今 申请者仅知道由发明者公布的存在于且揭示于法国专利FR2844890中的技术。 FR28448卯所涵盖的功率调节单元产生对应于瞬时电压与PMP电压值之间的差异的控 制信号，所述差异充当所述调节单元的参考。缺点为不可能不影响供应给用户的电压的 连续性。原因在于根据FR28448卯中所解释的方法进行的对所述参考电压的计算先前要 求确定对由电流-电压曲线表示的特性功率方程式的解，以便获得新的PMP，即，存在 对应于最大功率的电压值及电流。此为缺点，因为单元或功率电路且因此并入有其的太 阳能发电机要求中断电源电压，这是因为在PMP控制中其使用某算法，所述算法需要 太阳能面板电特性的正好四个点的测量值，和发电机功率调整的性能和速度的所致损 失。
发明内容
本发明意欲应用于功率的控制和调节， 一般来说，用于电特性具有单个最大功率点 (PMP)的太阳能量源，且尤其涉及一种方法和在其中实施所述方法的电路，所述方法 在前述不同方面中的每一个方面中解决先前所述问题，构成与先前系统相比经改进的 PMP的计算的替代方案。
具体来说，本发明的方法和电路与FR2844890中所陈述的解决方案相比呈现出重要 优点，所述解决方案基于基础方面以便确定所述PMP且是计算所必需的所述源的实际 电特性的点数目，所述源优选为光伏面板或太阳能面板分组。不像FR2844890中所要求 的，此处不需要具有固定数目的电特性点和等于四个测量点，而是在本发明中，在单个 测量点位于"旧"PMP和"新"PMP之间的最好情况下需要较少的点以便计算新的PMP， 即，对应于功率函数最大值的经更新电压坐标和瞬时电流。
此导致更快的方法，以及具有较好性能的功率控制电路和因此连接到其的太阳能发 电机的产生。从用户的观点来看，所述电路像离散时间伺服系统般运行，充当在仅两次 取样结束时发现其新的PMP的典型功率调整器，在新PMP方向上无振动的情况下总是 满足当前PMP电压而无不稳定性。
本发明的一个方面接着涉及用于控制功率函数P = vi的最大值方法，其中变量v为 瞬时电压，且变量i为发电机或太阳源的电流，所述发电机或太阳源借助于功率调节单元而连接到用户负载网络。因此，所谓的最大功率点(PMP)由电压和电流坐标(Vpmp， Ipmp)界定，其为负责从所述源的电特性的单个测量点进行确定的方法。此方法以连续 方式或以取样模式将对应于电压V，p的电流值的参考信号传递给功率调节单元，即，至 调节功率单元的输入的参考电压与最大功率点(PMP)处的瞬时电压值严格成比例或相 等。此参考电压由功率调节单元用于调整太阳源的输出电压，而无需如常规功率调整器 所通常出现的中断对前述用户负载网络的电压供应。
太阳能发电机优选包含光伏面板或此类面板分组或为等效的能量源，其电压特性的 定义取决于所表达的电压v(i)的函数，根据在20世纪80年代由塔达(7i^^和卡特(0^e^ 研究出的以下关系将在某些操作条件(例如，太阳能面板的温度、老化和照明程度)下 的工作点的坐标联结起来-
<formula>formula see original document page 10</formula>
在表达式(2.1)中，n被定义为面板的m列电池中的每一列中串联的光伏电池的数 目。参数A为特性的所谓形状因数，且kT/q为取决于温度和电池材料的系数。此方程
式(2.1)中也插入给定工作条件下光伏电池的短路电流^和暗电流iR的各自值。
在时刻(t)时工作点的电流和功率坐标分别由以下表达式给出
<formula>formula see original document page 10</formula>
从前述内容得到可通过求解以下方程式来计算出最大功率点(PMP)的坐标:
<formula>formula see original document page 10</formula>
考虑到暗电流iK的值与短路电流^相比非常小且也比电流ipmp小得多，所以在最大 功率点(PMP)中特殊化的方程式(2.1)可根据以下公式而写成<formula>formula see original document page 11</formula>(2.2)
因此，为了确立电压Vpmp，除了确定电流iR和isc以及取决于工作条件、温度和光 伏电池材料的常数"a"夕卜，所提出的方法还计算电流ipmp。
由于最大功率点(PMP)的坐标在分析上对应于功率函数P-vi的最大值，所以此 极端操作条件暗示着，在最大功率点(PMP)处，以下表示式是成立的
<formula>formula see original document page 11</formula>(2.3)
或等同于:
<formula>formula see original document page 11</formula>(2.4)
接着，对电压特性(2.1)求微分，获得:
<formula>formula see original document page 11</formula>(2.5)
将(2.4)与(2.5)组合，电压Vp呵写成
<formula>formula see original document page 11</formula> (2.6〉
或以等效方式写成-
<formula>formula see original document page 11</formula>(2.7)为了求解方程式(2.7)，可应用两种方法 一种方法为数值法且另一种方法为图形法。
数值法是基于牛顿-拉夫逊(Newton-Raphson)迭代算法。在变量I的j+l次迭代后， 对先前方程式(2.7)的求解可用以下方式来表达
<formula>formula see original document page 12</formula> (2.8)
<formula>formula see original document page 12</formula>(2.9)
图形法由找出两个曲线或函数fl与f2的交点组成，其遵照以下分析表达式:<formula>formula see original document page 12</formula> (2.10)
和<formula>formula see original document page 12</formula> (2'11)
这两个函数fl与f2具有单个交点，其精确地对应于在当前或实际操作条件下寻找 (Vpmp,Ipmp)的坐标。
关于光伏电池的暗电流iK的计算，经验展示其值遭受很小变化，因为其与电池的固 态物理学有关联，且因此，可容易地从针对正常工作条件(1个大气压和27 °C)给出 的太阳能面板(或等效源)制造商的信息产生。具体来说，这些正常工作条件下的值(已 知为PMP处的电压和电流(vpmp，ipmp)，连同短路电流i^和开路电压v。c)，可视作iR的
初始值<formula>formula see original document page 13</formula>
通过使用正则函数，从测量搜集到的数据准许微处理器周期性地(例如，每隔PMP 的100次改变)知道实际暗电流，且未对施加于太阳能面板上的电压具有影响。关于所 述源的电特性中涉及到的其它参数，短路电流isc和当前工作条件下常数"a"的产生暗 示着找到对具有两个未知量的方程式组的解，其可借助于图形法和迭代计算法(例如， 前述牛顿-拉夫逊法)根据暗电流iR的初始值来求解。
为了求解具有两个未知量的方程式组，使用太阳能面板的电特性的两个点的坐标。 第一个点Ml (vl，il)为当前操作点。其由其电压vl表征，电压vl总是为前面的PMP ("旧"PMP)的值，但具有已改变的电流il，因为其并非新的PMP或旧的PMP。电流 值之间的差异的测量允许我们发现在哪里找到新的PMP，同时其指示对其距离的估计。 如果所述差异为正，那么新PMP的电压也大于旧PMP的电压；而如果其为负，其将具 有较低电压。
因此知道新PMP的方向，用于控制的方法改变太阳能面板的工作点，将正步长(如 果差异il-ipmp "旧"为正)或负步长(如果差异il-ipmp "旧"为负)强加为功率调整 器的参考。此步长的振幅以由用户选择的常数kv与所述电流值的差异的振幅成比例。第 二个点M2 (v2，i2)对于找到新PMP的坐标来说是必需的。第三个点M3 (v3,i3)由处 理器计算为结果，其坐标为区段MlM2的中点的坐标。所述算法使用以下性质:此区段 平行于在特性的与点M3具有相同电压的点处的切线。其可被写成
<formula>formula see original document page 13</formula>(2.14)特性曲线的梯度p对应于
c/v "屋ri i
------^-^ S —-= jp
必附《4 J j附bc—'Z3 ,"^C一4 《
(2.15)
由于M3在特性上，所以其电压v3为
9
(2.16)
可通过以下方程式来消去常数《:
v3
(2.17〗
通过用牛顿-拉夫逊迭代算法求解此方程式来找出短路电流(ise)的数据。在j+l次
迭代后，获得
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，'乂》~ —、,」
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《，c
知道:
(2-18)
V3
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挑42 一o
吗
(2.19)
最后，最后一个参数由下式给出
威r
(2.20:本发明的另一个方面为用于太阳能量源的最大功率点的控制电路，所述太阳能量源 的电特性具有关于所述太阳能量源每一时刻操作所依据的工作条件的单个PMP，所述控 制电路包含
-功率调节单元，其通过电池而连接于太阳源与用户负载网络之间，以便以最大性 能调整所述源的输出电压和将最佳电压供应给用户负载网络。
-和最大功率点(PMP)坐标的快速计算模块。本文所提出的计算模块连接到所述 电池且包含至少一个可编程电子装置，例如，微处理器(PIC)，其应用前述方法来确立 Vpmp且不会中断对用户负载网络的电压供应。
另外，针对所述函数，计算模块提供能够保存在确立电压Vpmp过程中必需的数据的 存储构件，整合在或不整合在所述可编程电子装置中的存储器。
可整合在或不整合在功率调节单元中的所述计算模块并入有接收电特性的测量点 的数字模拟转换器和将参考电压传递到所述功率调节单元的电池的数字模拟转换器，所 述计算模块与所述太阳源一起构成接口 。
所述可编程电子装置负责确立根据太阳能面板的工作点或根据等效能量源连续更 新的值、存取所述源的实际电特性和用一个、两个或至多三个测量点从所述实际电特性 获得PMP的电压，所述可编程电子装置可为通用微处理器、数字信号微处理器(DSP)、 专用集成电路(ASCI)、可编程卡(FPGA)或前述各者的任何其它组合。此电压为用作 功率调节单元的参考的电压，其按照惯例可具有串联类型或并联类型的转换结构，例如 具有已知功率调整器的拓扑(例如，S3R或ASR)。
将制造商的和关于太阳能面板配置的数据和其电特性的测量值保存于存储器或数 据库中，目的在于可编程电子装置可存取其且执行特定计算和迭代算法以便求解在所述 控制方法中暗示的非线性方程式。
视情况，所述电路包含接收瞬时测量值的装置和适合于实时地测量电流值的电流拾 取器。
当实时电流值与最大功率点(PMP)处电流I,p的值之间的差异超过预定极限时， 可编程电子装置因此经配置以在所述源的特性曲线中相当快地调整新的工作坐标从而 返回执行PMP控制方法，之所以相当快是因为仅需要总在新PMP的最终值的方向上的 单个测量点。
本发明的最后一个方面涉及一种太阳能发电机，其包含源，使得取决于电流的电压
电特性曲线具有对应于功率函数P:vi的最大值的单个PMP，所述太阳能发电机并入有
先前所界定的太阳能量源的最大功率点的控制电路。
为了补充所进行的描述和实现有助于更好地理解本发明的特征的目的，根据本发明 的实施例的优选实例，附上一组图式作为所述描述的组成部分，其中以说明性且非限制 性特征来表示以下内容。
图l展示呈现最大功率点(PMP)的功率函数P二vi (太阳能量源的函数fl 二v/I和 函数f2 = dv/W)的图形表示，根据本发明的目标来确立最大功率点的电压和电流坐标
(Vpmp， Ipmp ) o
图2展示作为串联拓扑的功率调节单元中的可能实施例的本发明的电路的方框图。 图3展示作为并联拓扑的功率调节单元中的另一个可能实施例的本发明的电路的方 框图。
图4展示功率函数P = vi的图形表示和取决于电压v的电流I的曲线，电压v界定 所述太阳源的电特性。
图5展示在不同工作点下所述能量源的电流-电压特性中、搜集三个测量点的PMP 图形搜寻方法的说明。
图6展示在不同工作点下所述能量源的电流-电压特性曲线中、搜集两个测量点的 PMP图形搜寻方法的说明。
图7展示根据实施例的实例的功率调节单元的并联调整器结构S3R类型的方框图。
图8展示根据实施例的另一个替代实例的功率调节单元的并联调整器结构S4R类型 的方框图。
图9展示根据实施例的另一个实例的用于功率调节的多个S4R型单元的连接电路。
具体实施例方式
鉴于所示附图，可将一种用于控制太阳能量源的最大功率点的方法描述为本发明的 实施例的可能实际选项，所述太阳能量源的取决于电流(i)的电压特性(v)具有对应 于图1所示的功率函数(P) (P = vi)的最大值的单个最大功率点(PMP)。如分别于图2 和图3中所说明，取决于功率调整器配置有串联的电池(3)还是并联的电池(3)，而 借助于功率调节单元(2)将源(1)连接到用户负载网络(4)。
在所述太阳源(1)中安置分布在许多行(n)和许多列(m)中的多个光伏电池。 连接到电池(3)的最大功率点(PMP)的计算模型(5)确立参考电压(Vpmp)，求解 以下方程式<formula>formula see original document page 17</formula> (2.21)
为了确定最大功率点(PMP)的电压(Vpmp)，计算模型(5)执行三次连续操作
i)根据以下方程式识别呈现太阳源(1)的电特性(例如，图4中所描绘的电特性) 的新分析公式i(v)-
<formula>formula see original document page 17</formula>
在已识别或计算出以下参数时，此操作完成特性的形状因数(A)、短路电流(isc) 和暗电流(Ir)。
ii)解决表征太阳源(1)的功率曲线中最大值的存在的极端条件，即，由以下 表达式给出的条件
<formula>formula see original document page 17</formula>
iii) 计算电压(V，p)，以供将其以模拟参考信号的形式传递到功率调节单元(2) 以供调整功率，在方程式(2.21)中引入前两次操作后所获得的参数，方程式(2.21) 也以其精确形式被写成
<formula>formula see original document page 17</formula>
一旦计算出电压(Vpmp)，便使用其值来将与电压值(Vpmp)相等或成比例的参考信 号传递到控制太阳源(1)的功率调节单元(2)，在串联类型的转换结构的情况下调整 电池(3)的输入电压或在并联调整器的情况下调整所施加电压。功率相位不需要插在 最大功率点(PMP)的调整中的任何变换。计算模块(5)具有至少一个微处理器，所 述微处理器处理来自数据库的数据和太阳源(1)工作点坐标的值，以便确立为最大功 率点(PMP)的电压的参考电压。因此，如果网络的用户要求，那么就迫使所述源(1)持久地在最大功率点(PMP)处工作。
在获得电压(Vpmp)的目的下，计算模块(5)的微处理器先前计算在先前方程式 中必需的一系列参数，艮口
-第一个参数(iR)，
;—__
& 一~,0 、 7 (2-22)
使用制造商的数据且在开始时使用。
-第二个参数(misc),其是以迭代形式计算成
/fe")) = ~"- W(^^1) (2.23:
打x-)
附"
-第三个参数(na)
加=-P(加'sc一i.) =-J _;、 (2.24:
、
界定取决于所述源(1)的光伏电池的材料和温度、所述源(1)的短路电流(isc) 和暗电流(iR)的常数(a)，以及确立电流(Ipmp)在最大功率点(PMP)处的值。
在太阳能电池为新时，由微处理器在开始时执行对第一个参数(iR)(即，暗电流) 的计算；然后，周期性地重新计算或更新所述暗电流的值且如下文所解释将其存储于微 处理器的存储器中。
在图5中表示的太阳能面板的瞬时电流-电压曲线中，突出显示点(M0)，其对应于 "旧"最大功率点(5)，依据面板的功率已增加还是减小而具有单个测量点(M2,M'2)。 此信息来自于点(M0)处PMP的电流值与其分别在测量点(M1,M'1)时的新值(ii,i、) 之间的差异的正负号，"旧"PMP的电压为Vl =vo。图形上，如果电流大于"旧"PMP 的电流，那么点M2在M1的右边，且否则，M'2位于M'1的左边。将通过施加振幅与 电流值差异成比例的电压步长来测量这些点。微处理器将组织位于区段M1M2或 M，1M，2中点处的第三测量点(M3，M，3)的坐标的计算，根据其确定"新"最大功率点(PMP)的坐标。
电流值的改变使微处理器接收搜寻新PMP坐标的指令。谨记，太阳能面板的操作 点的坐标总是被微处理器知道。
实验上，展示暗电流(iR)的值具有最小变化，因为所述值与光伏电池的固态物理 学有关联。因此，微处理器可在其对所述暗电流(iR)的计算中视作初始值，所述初始 值是从太阳源(1)的制造商的某些数据获得，某些数据为正常压力和温度条件下(即， 一个大气压和27 。C下)的短路电流、在所述条件下最大功率点(PMP)处的电流和电
压，和源(1)的开路电压(V。e)。通过使用制造商的此初步数据，微处理器在刚开始使 用系统的初始化中计算暗电流(iR)的值。
如果引入暗电流(itO的此初始值以作为微处理器的输入以执行对最大功率点(PMP)
的第一次计算，那么可周期性地更新此值，例如，每最大功率点(PMP)的一百次计算。 假定对最大功率点(PMP)的每一次搜寻在最坏情况下仅需要太阳源(1)的电特性的 三个测量点(Mi,M2,M3)，那么足以化成简单的相应数学系统以便获得新的暗电流(iR)
值，例如
<formula>formula see original document page 19</formula>
更详细来说，在最坏情况下根据三个测量点(Mi,M2,M3)的各自坐标(w,h)、 (v2, i2)、 (v3，i3)来周期性地更新暗电流(iR)值，求解
<formula>formula see original document page 19</formula>从先前方程式消去对应于短路电流(ise)的参数，使
exp(》))
且借助于牛顿-拉夫逊方法或其它等效方法来求解所提出的方程式:
分别产生经更新的暗电流(iR)值和短路电流(ise)值:<formula>formula see original document page 20</formula>
其它两个参数(misc，na)的产生基本上由对具有两个未知量的方程式组的求解组成， 其是通过在计算模块(5)中处理可得自图6所示的电特性的两个工作点(Mb M2)的 数据来实现，其中第一个点(M。由坐标(vl, il)界定。所述第一个点(M!)的电压 (Vl)对应于最大功率点(PMP)(即，"旧"点(Mo))处的"旧"或已知值，但电流(h) 不同于对应于最大功率点(PMP)的电流，因为其随着太阳照明的改变而变化。
假设第一个点(Mi)的电流(i!)的此第一个值大于最大功率点(PMP)处电流(Ipmp) 的值，那么其可被写成i, =ni(isc - iR(exp(^^)-l) (2.27)
在图6中，观测电特性的开始点(Mo)，其坐标为"旧PMP"的坐标且随着PMP 的改变而移动至M1 (vl,il)。因此，确定特性的新点(M2)的最大功率点(PMP)"将 来"的值位于第一个点(MD的右边。否则，假如电流(h)的第一个值具有比"旧" 最大功率点(PMP)的振幅小的振幅，那么所述"将来"值位于第一个点(MG)的左边 且确定电特性的另一个点(M、)。将小的正增量(AV1)添加到充当功率调节单元(2) 的参考的第一个电压(vl)，测量电特性中的第二个点(M2)，所述第二个点的坐标(v2， i2)绘制于图6中。此第二个点(M2)对应于完全在最大功率点(PMP)附近的中间点 或同样地已根据存储器中所存储的先前电流值与所测量的电流值之间的变化的正负号 来获得，在所述正负号为负时可对应于另一个第二个点(M'2)。
用所测量的电特性中的第二个点(M2)和(2.27) —起可确立第二个方程式以计算 两个参数(misc,na)或等同于特性曲线的形状因数(A)和短路电流(ise)的未知值。 假定在图6的实例中，"将来"最大功率点(PMP)是在"旧"最大功率点(M0)的右 边，那么第二个点(M2)经选择为在第一个点(M!)的右边且可被写成
i2 =m(isc -iR(exp(^j;v2)-l)
其意味着在进行以下操作后:
.i2-miR(eXP^v2),^Vl))
可消去短路电流(isc)。且由于暗电流(iR)为已知的，所以可写成:
、nAk iRR、 F、nAkT 2/ F、nAkT可通过任何适用的数值分析法，例如，应用牛顿-拉夫逊方法，来求解此最后一个 方程式，得到
f (_5_^) = 一v (卿(~~3v2)+v， ^~ v,))
I1AKJL ILAJO I1/\1《JL
且在j+l次迭代后，可通过进行以下操作来求出q/nAkT的值
it —" , q 、 ， —, i
(eXP( 二￥2) + eXP( ALV1))
q — qiR nAJkT nAjkT
nAkT nM(TV2(e邻(^^v2) + v^p(^^))且其后可通过求解下式来直接获得短路电流(isc)的值
在替代情况下，其中太阳源(1)照明中的变化延续到先前所提及的电流小于"旧" 点(Mo)处的电流的另一个操作点(M、)，可测量电特性中在"旧"点(Mo)左边的 另一个第二个点(M'2)。然而，用于获得特性的形状因数(A)和短路电流(ise)的值
的方法不变，其与在先前情况中所解释的一样。
先前计算的精确度和速度取决于对那些第二个测量点(M2,M'2)的适当选择。实际
上，通过对目前所制造的太阳能面板的体验获知照明条件的改变仅稍微影响特性的形状 因数(A)的参数。可对温度(T)说同样的话，因为面板的高热惯性在照明改变期间不 准许突然的热转化。最后，在正描述的最大功率点(PMP)的搜寻方法中在界定初始条 件时，可认为这些因数(A,T)在太阳源(1)的照明条件改变期间保持为不变，至少作 为有效近似。此外，由于微处理器执行此方法的计算时间为约几百分之一微秒，所以对 于那个时间间隔来说，先前假设可接受。
因此，可将所需的第二个测量点(M2，M'2)视作在仍未识别短路电流(isc)的值时 所确立的最大功率点，因此近似所述点处的电压(v2)的值，为其给出以下表达式根据方程式(2.28)使用第一个测量点(MD的坐标(Vbi。来计算短路电流(isc)。 另一方面，图形上，表达式(2.14)的导数对应于获得直线M1M2的梯度(p)，直
线M1M2在坐标(v3，i3)的对应于区段MiM2的中点的第三个点(M3)处与曲线相切，
或
、, -------- ^_
V3 ——
- 《i +2 <j
"=——^
2 2—
且所述梯度(p)由下式给出:
在方程式(2.14)与(2.16)之间消去常数(a)，获得以下表达式:
賊=—p(加』，0 = ~~《2.30》
慕忍
使用微处理器以应用牛顿-拉夫逊迭代计算法可能求出电特性的短路电流(ise)，借 此在许多次迭代(j+l次)后，可获得-
v, v尸,■=-Log(l-
=—腿
l一
尸
s一
f3
CM
將<formula>formula see original document page 24</formula>
(2.32)
在确定短路电流(isc)在工作特性中的值后，微处理器可仅通过以下运算来找出常 数(a)的值
舰二一,(纖'^— *)■:
』—纟〗
《2,33〗
相同地，对于电流(ipmp)在最大功率点(PMP)处的计算，微处理器可应用牛顿-拉夫逊迭代算法，使得
詞<formula>formula see original document page 24</formula>
图形上，将电流(ipmp)在最大功率点(PMP)处的计算转化为获得曲线(fi)与(f2) 之间的交点，其为单个的且对应于在功率函数(P)中变为最高且根据图1所说明的内 容针对最大功率点(PMP)进行搜寻的电流值。
在界定用于控制最大功率点(PMP)的此方法的这些步骤后，计算模块(5)能够 连续地预测坐标(Vprap,Ipmp)，而未干扰供应给用户负载网络(4)的电压，所述用户负 载网络可由一组电池组、电动机或DC泵组成。此方法甚至在最大功率点(PMP)因照 明、温度等的环境改变而更改时仍为有效的。功率调节单元(2)按照由计算模型(5)供应的参考信号进行调整，且计算模块(5) 与太阳源和所述功率调节单元(2)介接。此独立计算模块(5)实时地将关于振幅和时 间长度的对应于(即，严格成比例或等于)最大功率点(PMP)的电压的瞬时值的电压 (Vpmp)的值传递给电池(3)。如此调整的电压为串联类型的电池(3)的输入电压或由 并联类型的功率结构供应给用户网络(4)的电压。
图7表示功率调节单元(2)具有循序切换并行调整器的结构(例如，已知的S3R 类型)的特殊情况。基本原理为执行与光伏面板并联连接的电子开关，以两种方式来操 作开路和短路。S3R调整器在切换周期的一部分期间使太阳能面板与用户隔离且迫使
所述太阳能面板、电流(IGS1、 IGS2..... IGSn)的产生器在经调整电压(例如，在本发
明中获得的PMP的电压)下工作。使用S3R调整器所假想到的优势为在所有切换中耗 散的功率的最小化。假定这些开关仅具有两个操作状态，那么太阳能面板在短路情况下 将为良好的，且因此，自动地知道短路电流(isc)，或通过串联连接的二极管将能量供应 给用户负载网络(4)。在此情况下，也自动地知道第一个工作点(Ml)的坐标。且，因 此，在找到所述第一个工作点(Ml)的坐标后，所有参数自动可用。S3R调整器也可应 用于串联结构，迫使太阳能面板在开路情况下在参考电压下操作。
在使用如图7所示的具有并联拓扑的S3R型单元的情况下，对PMP的计算是直接 的且无需转向单个测量点，因为短路电流(isc)的值总是为已知的，且恒定参数(a)的 值是使用下式直接从由太阳能面板的工作点(Ml)连续测量到的电流(il)直接计算出
(2.36)
也可直接获得特性的形状因数(A)，因为借助于下式知道工作点(Ml)的坐标
nA_kT t, ,, 一i，、
v = 一-Log(l+~—~~L) (2.37)
q miR
或者，在具有串联类型功率切换结构的功率调节单元(2)(例如，已知ASR调整 器)的情况下，直接可用的一条信息为开路电压(v。c)和找出第一个工作点(Ml)，已 知当串联开关以传导方式将太阳能面板连接到用户时，存在将开路电压(v。c)与电特征 的短路电流(ise)和常数(a)关联的关系，如下voc =-Log， = naLog， (2.38)
q ^
接着，微处理器可容易地计算两个方程式组(2.37)和(2.38)的解，以便获得太 阳源(1)的特性的第一个点(Ml)。电特性的剩余参数的计算不取决于第二个点(M2) 的电压和电流测量值以产生图6中所见的直线M1，M2或M1"M2"。且为了更新暗电流 (iR)的值，使用坐标(vl，il)和(v2,i2)的各自两个点(M1，M2)在每一个更新周期 中的测量值足以能够写出下式
^ =《-^(e邵(^^Vi)-1) f 2 =挑(』-^ (exp(~~^i;2) -1)
且求出两个先前方程式的暗电流(iR)的值，使:
^^e邵(+(v广V2)) 得到 "^-7"^丄"(^")冗一^ yi4/c/ n4/"(、 一 v2) ,肥一z2
导致/广」"-
exP( …v'.) "息1
可用于实施功率调节单元(2)的另一种可能拓扑被称作S4R类型，如图8中的方 框图所表示，其连接到电池组(6)、电池组控制件(7)和电池组盒(battery porter) (8)。 此功率调节单元(2) S4R类型包括串联电池(3')和并联电池(3")。这些S4R单元中
的若干个(2a、 2b.....2n)可按照图9的图表来连接，由单个计算模块(5)控制。
连接到组成太阳源(1)的各自太阳能面板的是每一个S4R单元(2a、 2b.....2n)的
串联电池和并联电池，且串联连接于电池组(6)与负载网路(4)之间的是以取样模式 运作且使那个电池组(6)与所述太阳能面板和与所述网络隔离的电池组盒(8)。 应总是广义地且非限制性地理解本说明书中所写的术语。 本发明的一些优选实施例揭示于本文所包括的从属权利要求中。
权利要求
1. 一种用于控制太阳能量源的最大功率点的方法，所述太阳能量源的取决于电流(i)的电压特性(v)具有对应于功率函数P＝vi的最大值的单个最大功率点(PMP)，所述源借助于功率调节单元(2)而连接到用户负载网络(4)且包含由分布在许多行(n)和许多列(m)中的多个电池构成的至少一个光伏面板，所述方法的特征在于其根据所述电特性的少于四个的测量点(M1、M2、M3)来确立对应于电压在所述最大功率点(PMP)处的实时值的参考电压(Vpmp)，所述参考电压(Vpmp)由所述功率调节单元(2)用于调整所述太阳源(1)的输出电压，且不会中断对所述用户负载网络(4)的电压供应。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于其通过求解以下微分方程式来另外计算电 流(Ipmp)在所述最大功率点(PMP)处的值<formula>formula see original document page 2</formula>。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述电流(Ipmp)在所述最大功率点(PMP)处的所述值、通过特殊化所述最大功率点(PMP)处的所述电特性、取决于光伏 电池的材料和温度的常数(a)、所述面板电池的所述短路电流(ise)和所述暗电流(iR) 的函数，按照下式来计算所述参考电压(Vpmp):<formula>formula see original document page 2</formula>
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于在来自所述特性的点(M1，M2， M3)的电 压和电流坐标分别为(vl,il)、 (v2,i2)和(v3,i3)的情况下，其使用单个点(M2):<formula>formula see original document page 2</formula>来计算所述特性切线的梯度(p):<formula>formula see original document page 2</formula>
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于借助于迭代计算法和图形法根据所述暗电 流(iR)的特定初始值来计算所述短路电流(isc)和所述常数(a)的瞬时值。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述迭代计算法为牛顿-拉夫逊迭代计算法。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述图形法由确定所述太阳源的所述 电流(i)的两个曲线函数之间的交点组成，第一个曲线(fi)为<formula>formula see original document page 3</formula>且第二个曲线(f2)为<formula>formula see original document page 3</formula>必,及
8. 如权利要求5到7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据所述太阳源的 已知数据来确定所述暗电流(iR)的所述初始值，且所述已知数据为正常的压力和温度条件下所述最大功率点(PMP)处的电压和电流， 所述正常的压力和温度条件下的开路电压；以及 所述正常的压力和温度条件下的短路电压。
9. 如权利要求5到8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据从所述短路电 流(ise)和所述常数(a)计算出的值来周期性地更新所述暗电流(iR)的所述初始值。
10. 如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述参考电压(Vpmp) 的所述计算包含以下步骤第一个步骤根据以下方程式，使用所计算出的所述特性的形状因数(A)值、短 路电流(isc)和暗电流(iR)来识别取决于所述太阳源(1)的所述电特性的时间(t)的解析形式，方程式为<formula>formula see original document page 3</formula>第二个步骤求解以下微分方程式<formula>formula see original document page 3</formula>第三个步骤产生与根据以下表达式计算出的电压值成比例的模拟参考信号:<formula>formula see original document page 3</formula>
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于根据所述电特性的三个测量点(M1,M2， M3)计算出所述特性的所述形状因数(A)值、短路电流(ise)和暗电流(iR)。
12. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于根据所述电特性的两个测量点(M1，M2) 计算出所述特性的所述形状因数(A)值和所述短路电流(isc)，且在于所述暗电流值(iR) 最初等于由所述太阳源(1)的制造商给出的值，且在于根据所获得的测量值来周期性地 更新所述暗电流(iR)的值。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于通过求解三组方程式来周期性地更新所 述暗电流(iR)的所述值，所述方程式的未知量是所述特性的所述形状因数(A)、所述 短路电流(isc)和所述暗电流(iR)，其由下式给出!3 = m(』- ^ (缀p(^^; 、 ) -1)《2 =棉《 -4(鲫(""^;，2)-:》 i3 =附(』-^ (e邵(-^; v3) -1)其中分别由电流和电压坐标(vl,il)和(v2， i2);连同对应于选自所述电特性的 所述两个测量点(Ml, M2)的工作点(M3)的电流和电压坐标(v3, i3) —起来界定 所述电特性的所述两个测量点(M1,M2)。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于根据以下表达式根据所述电特性的分别 由电流和电压坐标(vl,il)和(v2, i2)界定的所述两个测量点(M1,M2)来周期性地 更新所述暗电流(iR)的所述值<formula>formula see original document page 4</formula>
15. —种用于控制太阳能量源的最大功率点的电路，在存在包含由分布在许多行(n) 和许多列(m)中的多个电池构成的至少一个光伏面板的太阳源(1)的情况下，所述太 阳源(1)配备有取决于电流(i)的电压特性(v)，所述电压特性(v)具有对应于功率 函数P:vi的最大值的单个最大功率点(PMP)，且所述电路包含功率调节单元(2)，其通过电池(3)而连接于所述太阳源(1)与用户负载网络 (4)之间，以便调整所述太阳源(1)的输出电压且将电压供应给所述用户负载网络(4)， 所述最大功率点(PMP)的计算模块(5)，其连接到所述电池(3)，所述电路的特征在于所述计算模块(5)包含至少一个可编程电子装置，其经配置以在不会中断对所述用户负载网络(4)的电 压供应的情况下确立对应于电压在所述最大功率点(PMP)处的实时值的参考电压 (Vpmp);存储构件，其与所述可编程电子装置相关联，能够保存在所述参考电压(Vpmp)的所述确立中所必需的数据；与所述太阳源(1)的接口，由接收所述电特性的测量点(M1,M2,M3)的数字模 拟转换器和将所述参考电压(Vpmp)传递到所述电池(3)的数字模拟转换器构成。
16. 如权利要求15所述的电路，其特征在于所述功率调节单元(2)具有串联连接的 所述电池(3)。
17. 如权利要求15所述的电路，其特征在于所述功率调节单元(2)具有并联连接的 所述电池(3)。
18. 如权利要求15到17中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述电池(3)具 有S3R拓扑。
19. 如权利要求18所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以使用所述 特性的初始形状因数(A)值和暗电流(iR)连同直接获得的短路电流值(ise)和在所述 电池(3)使所述太阳源(1)处于开路时测量到的开路电压(v。c)值一起通过求解下式 来确立所述参考电压(Vpmp):<formula>formula see original document page 5</formula>且所述短路电流值(isc):在所述电池(3)是并联连接时，对应于在所述电池(3)使所述太阳源(1)处于 短路时测量到的电流值；在所述电池(3)是串联连接时，对应于根据以下表达式计算出的值<formula>formula see original document page 5</formula>。
20. 如权利要求15到17中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置经配置以使用先前工作点(Ml)和在内部从所述两个工作和测量点(M1,M2)获得的 所述特性的第三个点(M3)根据单个测量点(M2)来确立所述参考电压(Vpmp)。
21. 如权利要求20所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以通过确定 所述两个工作和测量点(Ml, M2)之间的中点来在内部获得所述特性的所述第三个点 (M3)。
22. 如权利要求15到21中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置整合在所述功率调节单元(2)中。
23. 如权利要求15到22中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述存储构件由整 合在所述可编程电子装置中的存储器组成。
24. 如权利要求15到23中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置选自通用微处理器、数字信号微处理器(DSP)、专用集成电路(ASCI)和可编程卡 (FPGA)或其任一其它组合。
25. 如权利要求15到24中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置经配置以通过求解以下微分方程式来计算电流(Ipmp)在所述最大功率点(PMP)处的 值d尸=Fp邵W + /戸p c/v (2.49)。
26.如权利要求25所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以在所述参 考电压(Vpmp)的所述确立中，使用所述电流(Ipmp)在所述最大功率点(Vpmp)处的所 述值，根据特殊化所述最大功率点(PMP)处的所述电特性、取决于光伏电池的材料和 温度的常数(a)、所述面板电池的所述短路电流(isc)和所述暗电流(iR)的函数，通过 下式来计算所述参考电压(Vpmp)，公式为Vp,=+ sc . ，) (2,50) 銜^
27.如权利要求26所述的电路，其特征在于，在所述点(M1,M2， M3)的电压和电 流坐标分别为(vl,il)、 (v2,i2)和(v3,i3)的情况下，所述可编程电子装置经配置以计 算两个参数的值，所述参数为-第一个参数(misc)，第二个参数(na)开始由制造商的数据知道所述暗电流(iR)，且使用所述存储的数据来周期性地对 其进行更新。
28. 如权利要求27所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以借助于迭 代法和图形法、根据所确定的所述暗电流(iR)的初始值来计算所述最初两个参数(mise, na)的值。
29. 如权利要求28所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以执行牛顿-拉夫逊迭代计算法。
30. 如权利要求28或29所述的电路，其特征在于所述可编程电子装置经配置以执行 所述图形计算法，其由确定所述太阳源的电流(i)的两个曲线函数之间的交点组成，所 述曲线函数为一个曲线(ft), <formula>formula see original document page 7</formula>第二个曲线(f2),<formula>formula see original document page 7</formula>
31. 如权利要求28到30中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置经配置以根据保存在所述存储构件中的从所述太阳源获知的数据来确定所述暗电流 (iR)的所述初始值，且所述数据为正常的压力和温度条件下所述最大功率点(PMP)处的电压和电流， 所述正常的压力和温度条件下的开路电压；以及所述正常的压力和温度条件下的短路电压。
32. 如权利要求28到31中任一权利要求所述的电路，其特征在于所述可编程电子装 置经配置以根据从所述两个参数(misc,na)计算出的值来周期性地更新所述暗电流(iR) 的所述初始值。
33. 如权利要求28到32中任一权利要求所述的电路，其特征在于其包含适合于实时 地测量所述电流(i)的所述值的电流拾取器，且在于所述可编程电子装置经配置以在所 述电流(i)的所述实时值与所述电流(Ipmp)在所述最大功率点(PMP)处的所述值之 间的差异超过预定极限时执行根据权利要求1到14所述的用于控制所述最大功率点 (PMP)的方法。
34. —种太阳能发电机，其特征在于，所述发电机装有根据权利要求15到33所述的 电路。
全文摘要
本发明经设计以用于连续、快速且有效地监控太阳源或等效源以便成功地使用串联或并联类型的常规功率调整结构来对其进行布置以在其最大功率点(PMP)处操作，且不会中断对用户的供电，所述功率调整结构由能够通过应用迭代算法和/或图形法来计算所述PMP的电压和电流坐标(VPMP，IPMP)的独立模块来操纵。此模块理想地仅需要在所述源的周围条件下与电特性有关的一个测量点，且因此其为所述功率调整器传递参考信号，即，恒定地表示所述PMP的演变的连续、稳定电压。在使用S3R或ASR类型的功率调整结构的情况下，关于所述PMP的信息是直接的且不需要中间测量点。
文档编号G05F1/66GK101416135SQ200780012419
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年3月31日
发明者安东尼·卡博尔 申请人:安东尼·卡博尔